DE19618114A1 - Stromkompensierter Stromsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor mit einem weich­ magnetischen Magnetkern, auf dem neben einer Primär­ wicklung, in der der zu messende Strom fließt, mindestens eine Sekundärwicklung aufgewickelt ist, in die ein Wechsel­ strom eingespeist ist, der den Magnetkern abwechselnd in mindestens einer Richtung sättigt, und mit einer Auswerte­ schaltung, die den durch die Primärwicklung erzeugten Fluß in dem Magnetkern bestimmt.

In DE 42 29 948 A1 ist ein Stromsensor beschrieben, bei dem ein weichmagnetischer Magnetkern mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung vorgesehen ist. In Reihe zu der Sekundärwicklung ist eine zusätzliche Stromquelle geschal­ tet, die durch die Sekundärwicklung einen Magnetisierungs­ strom schickt, der den weichmagnetischen Magnetkern ab­ wechselnd in die positive bzw. negative Sättigung steuert. Der weichmagnetische Magnetkern besitzt eine im wesent­ lichen rechteckförmige Magnetisierungskennlinie, so daß während der Ummagnetisierung zwischen zwei Sättigungs­ zuständen ein jeweils konstanter Strom fließt, da infolge des nahezu senkrechten Verlaufs der Magnetisierungs­ kennlinie der induktive Widerstand gegen unendlich geht. Dieser Strom unterscheidet sich in der positiven bzw. negativen Halbwelle von einem Mittelwert jeweils durch einen Wert, der durch die Hysterese der Magnetisierungs­ kennlinie gegeben ist. Durch Mittelwertbildung des während der Ummagnetisierung fließenden konstanten Stromes bei zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen mit unterschiedlicher Polarität läßt sich der Einfluß der Hysterese in der Magnetisierungsschleife kompensieren, so daß die Messung des während der Ummagnetisierungszeit des Magnetkerns fließenden Stromes in der Sekundärwicklung einen Strom ergibt, der direkt proportional dem zu messenden Strom in der Primärwicklung ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders empfindlichen und dabei gegen Hysterese- und Temperatur­ einflüsse unempfindlichen Stromsensor nach dem Kompensa­ tionsprinzip zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnetkern aus einem Material mit flacher Magnetisierungs­ kurve besteht, daß der durch die Sekundärwicklung fließende Wechselstrom durch eine im wesentlichen sägezahnförmige Wechselspannung erzeugt wird, daß in einer Auswerteschal­ tung die positiven und negativen Stromspitzen durch die Sekundärwicklung miteinander verglichen und einem Verstärker zugeführt werden, dessen Ausgang über eine Wicklung, die sich auf dem gleichen Magnetkern wie die Sekundärwicklung befindet, einen Kompensationsstrom fließen läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromsensor im Blockschaltbild;

Fig. 2 zeigt eine Erweiterung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, um eine nur positive oder nur negative Referenzspannung gegen Masse zu erzeugen;

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromsensors, bei dem man mit zwei Wicklungen für den Magnetkern auskommt.

In Fig. 1 ist ein Rechteckspannungsgenerator 1 dargestellt, der über einen Reihenkondensator 2 und die Sekundärwicklung 3 an eine Auswerteschaltung 4 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 3 ist auf einen weichmagnetischen Magnet­ kern 5 aufgewickelt, auf dem sich außerdem eine Kompensa­ tionswicklung 6 und eine Primärwicklung 7 befinden. Die Auswerteschaltung 4 ist so aufgebaut, daß sie die positiven bzw. negativen Stromspitzen, die durch die Sekundärwicklung 3 fließen, erfaßt und dem Eingang des nachgeschalteten Verstärkers 8 eine Spannung liefert, die dem Mittelwert der positiven und negativen Stromspitzen entspricht.

Der weichmagnetische Magnetkern 5 hat erfindungsgemäß eine flache Magnetisierungskennlinie, d. h. eine Magnetisie­ rungskennlinie, bei der die Induktion über einen weiten Bereich nahezu linear mit der Feldstärke zunimmt. Eine solche Magnetisierungskennlinie kann man bei weich­ magnetischen Materialien insbesondere durch Temperung im Querfeld erzeugen.

Der Rechteckspannungsgenerator 1 liefert nun über den Reihenkondensator 2 eine sägezahnförmige Spannung an der Sekundärwicklung 3, die einen Wechselstrom relativ hoher Frequenz in der Sekundärwicklung erzeugt. Erfindungsgemäß ist die Schaltung so gewählt, daß dieser Strom in der Sekundärwicklung ausreicht, den weichmagnetischen Magnetkern abwechselnd in die positive bzw. negative Sättigung zu treiben.

Wenn durch die anderen Wicklungen auf dem Magnetkern 5 kein Strom fließt, so sind sowohl die positiven als auch die negativen Stromspitzen durch die Sekundärwicklung 3 gleich groß.

Bei fließendem, zu messenden Strom in der Primärwicklung 7 des weichmagnetischen Magnetkerns 5 wird dieser jedoch vormagnetisiert, so daß der entstehende Wechselstrom in der Sekundärwicklung 3 beispielsweise in positiver Richtung den Magnetkern schneller in die Sättigung treibt, als in negativer Richtung. Bei umgekehrter Vormagnetisierung durch einen umgekehrten Strom in der Primärwicklung 7 wird ein positiver Strom in der Sekundärwicklung 3 später und ein negativer früher zur Sättigung des Magnetkerns 5 führen. Hierdurch entstehen in beiden Halbwellen unterschiedliche Stromspitzen in der Sekundärwicklung 3.

Eine Auswerteschaltung 4 erfaßt nun mit den angedeuteten antiparallel geschalteten Dioden sowohl den Wert für den positiven als auch negativen Spitzenstrom und bildet daraus einen Mittelwert. Dieser Mittelwert ist im wesentlichen proportional zur Vormagnetisierung des Magnetkerns 5 und damit proportional zum zu messenden Strom in der Primär­ wicklung 7. Der Ausgang der Auswerteschaltung 4 ist an einen Verstärker 8 angeschlossen, dessen Ausgang wiederum treibt einen Strom durch die Kompensationswicklung 6, die sich ebenfalls auf dem weichmagnetischen Magnetkern 5 befindet. Ferner ist in Reihe zu der Kompensationswicklung 6 noch ein Widerstand 9 eingeschaltet, der mit seinem zweiten Anschluß an Masse 10 liegt. An diesem Widerstand tritt nun ein Spannungsabfall auf, der dem Strom in der Kompensationswicklung 6 und damit auch dem Strom in der Primärwicklung 7 des weichmagnetischen Magnetkerns 5 proportional ist. Diese Proportionalität ergibt sich, da die Auswerteschaltung 4 mit dem nachgeschalteten Verstärker 8 den Kompensationsstrom jeweils so steuert, daß der Mittelwert der positiven und negativen Stromspitzen gleich Null ist, so daß im Magnetkern 5 keine Vormagnetisierung herrscht.

Dieser Stromsensor hat den Vorteil, daß auch größere Ströme einwandfrei gemessen werden können, da keine Sättigung des Magnetkerns 5 durch den Primärstrom erfolgt. Darüberhinaus können auch relativ schnelle Stromänderungen erfaßt werden, da der Magnetkern eine flache Magnetisierungskennlinie besitzt und so bei plötzlichen Änderungen des Primärstromes - wenn der Kompensationsstrom noch nicht angepaßt ist - nicht gleich in Sättigung geht. Die damit ansteigende Mittelwertspannung setzt die Auswerteschaltung 4 in die Lage, den Kompensationsstrom schnell nachzuführen.

Am Widerstand 9 tritt damit eine dem zu messenden Primär­ strom in der Primärwicklung 7 proportionale Spannung auf, die allerdings in der Polarität gegenüber Masse 10 von der Richtung des Stromes in der Primärwicklung 7 abhängt. Wenn man nun eine Referenzspannung haben möchte, die zur Aus­ wertung in digitalen Anzeige- oder Regeleinrichtungen besonders geeignet ist, so ist es wünschenswert, eine Spannung zu haben, die nur eine Polarität (plus oder minus) gegenüber Masse aufweist. Hierzu ist es möglich, anstelle des Verstärkers 8 ein aus zwei Verstärkern 11 und 12 gebildete Brückenverstärkeranordnung 13 einzusetzen, deren Ausgänge 14 und 15 an die Anschlüsse der Kompensations­ wicklung 6 angeschlossen sind (s. Fig. 2). Hierdurch entsteht an dem Widerstand 16 eine Spannung, die über einen zusätzlichen Verstärker 17 verstärkt werden kann und unabhängig von der Richtung des zu messenden Stromes in der Primärwicklung 7 jeweils nur einen positiven oder einen negativen Wert gegenüber Masse 10 aufweist.

In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei der man ohne die Kompensationswicklung 6 auskommt. Die Anordnung ist im wesentlichen ähnlich derjenigen nach Fig. 1 mit dem Unter­ schied, daß der Ausgang des Verstärkers 8 über einen Tief­ paß, z. B. als Tiefpaß wirkende Induktivität 18, an den zum Rechteckspannungsgenerator führenden Anschluß der Sekundär­ wicklung 3 angeschlossen ist. Der Kompensationsstrom fließt dann ebenfalls über die Sekundärwicklung 3 und von dort über einen Tiefpaß, z. B. einen aus Induktivität und Kapazität bestehenden Tiefpaß, und über den Widerstand 9 zur Masse 10. Um den niederfrequenten Kompensationsstrom von der Auswerteschaltung 4 fernzuhalten, ist ein Hochpaß, z. B. zwischen diese und den Tiefpaß 19 ein weiterer Kondensator 20, eingeschaltet.

Claims (4)

1. Stromsensor mit einem weichmagnetischen Magnetkern (5), auf dem neben einer Primärwicklung (7), in der der zu messende Strom fließt, mindestens eine Sekundärwicklung (3) aufgewickelt ist, in die ein Wechselstrom eingespeist ist, der den Magnetkern abwechselnd in mindestens einer Richtung sättigt, und mit einer Auswerteschaltung (4), die den durch die Primärwicklung erzeugten Fluß in dem Magnetkern (5) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (5) aus einem Material mit flacher Magnetisierungskurve besteht, daß der durch die Sekundärwicklung (3) fließende Wechselstrom durch eine im wesentlichen sägezahnförmige Wechselspannung erzeugt wird, daß in einer Auswerte­ schaltung (4) die positiven und negativen Stromspitzen durch die Sekundärwicklung (3) miteinander verglichen und einem Verstärker (8) zugeführt werden, dessen Ausgang über eine Wicklung (6), die sich auf dem gleichen Magnetkern wie die Sekundärwicklung (3) befindet, einen Kompensationsstrom fließen läßt.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (5) zusätzlich zur Primär- (7) und Sekundär­ wicklung (3) eine Kompensationswicklung (6) aufweist.

3. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom über Tiefpaßfilter (19) in die Sekundärwicklung (3) eingespeist ist, während der in die Sekundärwicklung (3) eingespeiste Wechselstrom über Hoch­ paßfilter (2, 20) mit der Sekundärwicklung (3) verbunden ist.

4. Stromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung an Regel- oder Anzeigeeinrichtungen mit digitaler Auswertung eine Brücken­ verstärkeranordnung (13) der Auswerteschaltung (4) nach­ geschaltet ist, die aus der Ausgangsspannung der Auswerte­ schaltung (4), deren Polarität abhängig von der Richtung des zu messenden Primärstromes in der Primärwicklung (7) ist, eine Referenzspannung erzeugt, die gegenüber Masse nur einen positiven bzw. einen negativen Wert hat.